三相六拍步进电机
2019-2020年电大考试《机电一体化》形成性考核
号一、判断题（共10 道试题，共40 分。
）1. 步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越低。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分2. 传感器的转换元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分3. 电液伺服系统的过载能力强，在强力驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加减速驱动。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分4. 直流伺服电动机和永磁同步交流伺服电动机都可以采用PWM控制方式进行调速控制。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分5. 通常，步进电机的最高连续工作频率远大于它的最高启动频率。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分6. 步进电动机的转动惯量越大，同频率下的起动转矩就越大。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分7. 对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分8. 迟滞是传感器的一种动态误差，是由于在传感器的正反行程中的输出输入特性曲线不重合引起的。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分9. 直流伺服电动机的调速特性是电机转速与其输出转矩的关系。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分10. 永磁型步进电动机即使其定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用于定位驱动。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分4号2. 气压式伺服驱动系统常用在定位精度较高的场合使用。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分3. 传感器的静态特性是特指输入量为常量时，传感器的输出与输入之间的关系。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分4. 无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分5. 驱动部分在控制信息作用下提供动力，伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置。
（）A. 错误B. 正确满分：4 分6. 气压伺服系统的过载能力强，在大功率驱动和高精度定位时性能好，适合于重载的高加减速驱动。
三相六拍步进电机解析
常见的步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5 度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和振动都很大。
在欧美等发达国家80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72 度。
这种步进电机的应用最为广泛。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
三相六拍步进电机的驱动电压为12V，步进角有7.5度，也有15度，这里讲解7.5度步进电机。
步进电机转一周360度，所以这里步进电机转一周需要48个脉冲。
一个脉冲包括六个节拍，反转和正转是两个相反的过程，即输入的脉冲与正转的相反，即可驱动步进电机反转。
按上面的分析，改变转速，只要改变P1.0~P1.3轮流变低电平的时间即可达到要求，这个时间不应采用延时来实现，因为会影响到其他功能的实现。
这里以定时的方式来实现。
下面首先计算一下定时时间。
按要求，最低转速为25 转/分，而上述步进电机的步距角为7.5，即每48 个脉冲为 1 周，即在最低转速时，要求为1200 脉冲/分，相当于50ms/脉冲。
而在最高转速时，要求为100转/分，即48000 脉冲/分，相当于12.5ms/脉冲。
可以列出下表表 1 步进电机转速与定时器定时常数关系速度单步时间(us) TH1 TL1 实际定时（us）25 50000 76 0 49996.826 48077 82 236 48074.1827 46296 89 86 46292.6128 44643 95 73 44640.155…… …100 12500 211 0 12499.2表中不仅计算出了TH1和TL1，而且还计算出了在这个定时常数下，真实的定时时间，可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。
作业解答第二版
2 F1<0
3 F2<0
4 F3<0
坐标 进给
-x +y +y +y
偏差计算`
F0=0
F1=F0–2X0+1 =–11 F2=F1+2Y1+1 =–10 F3=F2+2Y2+1 =-7
F4=F3+ Y3+1 =–2
坐标计算
X0=6 Y0=0 X1=X0–1=5 Y1=0
X2=5 Y2=Y1+1=1
X3=5 Y3=Y2+1=2
答：(1) 第一象限直线插补程序 设内存中三个单元XE、YE、FM分别存放直线终点横坐标、 终点纵坐标、加工点偏差。
data segment XE DB xe YE DB yz FM DB 0 ZF DB 0
data ends
MOV ADD MOV LAB1：MOV CMP
AL，XE AL，YE CL，AL ；CL存NXY AL，FM AL，00H
1)
(1
z 1)Z
10
s
2
(0.1s
1)
10(1
z
1
)Z
1 s2
0.1 s
0.1 s 10
10(1
z
1
)
(1
z 1 z 1
)
2
0.1
1
1 z
1
0.1 1
1 z 1e101
(1
9z1(1 0.1z1) z1)(1 4.5105
z
1 )
阶跃输入对应 q 1 由被控对象传递函数，得 d 0 由广义对象传递函数，得 v 1, j 1,u 0
修改通道号和计数器 修改采样值缓冲区指针
三相六拍步进电动机
三相六拍步进电动机三相六拍步进电动机是一典型单定子、径向分组、反应式伺服电机。
它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。
定子铁芯由电工钢片叠压而成。
定子绕组绕制在定子铁芯上，六个均匀分布齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串连在一起，构成一相控制绕组。
三相步进电机可构成三相控制绕组，若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极。
在定子的每个磁极上，即定子铁芯上的每个齿上开了五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9º，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9º，与磁极上的小齿一致。
此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。
当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮1/3齿距角，C 相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮2/3齿距角。
步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。
矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。
改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。
三相六拍比三相二拍的矩角特性好一倍，因此在很多情况下，三相步进电机采用三相六拍运行方式。
“三相三拍”中的“三相”指定子有三相绕组；“拍”是指定子绕组改变一次通电方式；“三拍”表示通电三次完成一个循环。
1.三相单三拍运行方式图9-3所示为反应式步进电动机工作原理图，若通过脉冲分配器输出的第一个脉冲使a相绕组通电，b,c相绕组不通电，在a相绕组通电后产生的磁场将使转子上产生反应转矩，转子的1、3齿将与定子磁极对齐，如果9-3（a）所示。
第二个脉冲到来，使b相绕组通电，而a、c相绕组不通电；b相绕组产生的磁场将使转子的2、4齿与b 相磁极对齐，如果9-3（b）所示，与图9-3（a）相比，转子逆时针方向转动了一个角度。
第三个脉冲到来后，是c相绕组通电，而a、b 相不通电，这时转子的1、3齿会与c组对齐，转子的位置如图9-3（c)所示，与图9-3（b)比较，又逆时针转过了一个角度。
步进电机工作原理及控制电路
//按键标志变量
flag1=0;
//步进数标志变量
init();
//液晶初始化子程序
while(1)
{
keyscan();
//键盘扫描子程序
if(flag==1)
{
zz();
//正转子程序
}
else if(flag==3) {
fz(); } writebjs(8,count); } }
//反转子程序
it 动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。励
磁顺序： A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A
A-B 表4.3 1-2 相励磁法
步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至 其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间。 下面介绍的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度。电 机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，驱动方式为二相激磁方式，电机示意图 和各线圈通电顺序如图4.2和表4.1所示：
6
法增大起动电流，以提高步进电机转动力矩，即提高其工作频率。由于步进电机
是感性负载，所以进入绕组的电流脉冲是以指数形式上升，即这时电流脉冲i为：
i = IH (1 − e−1/Tj )
(4.4)
公式
其中：i是电流脉冲瞬时值；
IH 是在开关回路电压为u时的电流稳态值；
Tj 是开关回路的时间常数，Tj = L / ( RL + RC )
θ s = 2Π / Nrk
公式（4.1） 或
θ s = 360o / Nrk
公式（4.2）
其中：k是步进电机工作拍数，Nr是转子的齿数。
步进电机工作原理
注意：步进电机通的 是直流电脉冲.
t
360 Zr
第四页，编辑于星期日：二十三点 十六分。
工作方式
步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双 六拍、三相双三拍等。
一、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型 （2）三相绕组中的通电顺序为：
A相B相C相
通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相
第三页，编辑于星期日：二十三点 十六分。
步进电动机结构
步进电机主要由两部分构成：定子和 转子。它们均由磁性材料构成。定
、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成 凸极结构，定、转子磁极上均有小齿 ，定、转子的齿数相等。其中定子有 六个磁极,定子定子磁极上套有星形 连接的三相控制绕组，每两个相对 的磁极为一相，组成一相控制绕组, 转子上没有绕组。转子上相邻两齿
S
360 ZrN
即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转
因此每分钟转过的圆周数，即转速为
n6f0 6f0 3 6 0 sf
Z rN 3 6 Z rN 0 6
(r/min
步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲
频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一
定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数
在外部接成共阳方式：把CP+和DIR+接在一起作为共阳端，由电气箱 中PLC的Y0端子输出脉冲信号，脉冲信号接入CP-端，方向信号接入 DIR-端。
第十八页，编辑于星期日：二十三点 十六分。
步进驱动器与电机的接线
当CP+和DIR+输入+24V时，在脉冲信号接入端CP-，方 向信号接入端DIR-分别接入2K限流电阻（本模块已在内 部接入2K电阻）。分别把电机的A相、B相接入驱动器 的A相、B相输出端。
数控机床电气传动 02四单元习题库(带答案)
单元四 步进驱动系统习 题一、单项选择（共17题，每题1分，共17分。
选择一个正确的答案，将相应的字母填入题内的括号中。
）1.步进电动机多相通电可以( A )A.减小步距角 B 增大步距角C.提高电动机转速D.往往提能高输出转矩2.步进电动机主要用于（ A ）A.经济型数控机床的进给驱动B.加工中心的进给驱动C.大型数控机床的进给驱动D.数控机床的主轴驱动3.可用于开环伺服控制的电动机是( D )A.交流主轴电动机B.永磁宽调速直流电动机C.无刷直流电动机D.功率步进电动机4.数控机床进给系统不能采用（ D ）电机驱动。
A.直流伺服B.交流伺服C.步进D.笼式三相交流5.在步进电机性能中，矩频特性是指（ B ）A.输出转矩与启动频率的关系B.输出转矩与运行频率的关系C.输入脉冲频率与电机运行频率的关系D.步进电机运行平稳性与频率的关系6．( C )是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的机电执行元件。
A ．交流电动机B ．直流电动机C ．步进电动机7．正常情况下步进电机的转速取决于( A )A.控制绕组通电频率B.绕组通电方式C.负载大小D.绕组的电流8．某三相反应式步进电机的转子齿数为50，其齿距角为( A )A.7.2°B.120°C.360°电角度D.120°电角度9．某四相反应式步进电机的转子齿数为60，其步距角为( A )A.1.5°B.0.75°C.45°电角度D.90°电角度10．某三相反应式步进电机的初始通电顺序为C B A →→，下列可使电机反转的通电顺序为（ A ）A.A B C →→B.A C B →→C.B C A →→D.C A B →→11．下列关于步进电机的描述正确的是（ C ）A.抗干扰能力强B.带负载能力强C.功能是将电脉冲转化成角位移D.误差不会积累12. 三相步进电动机的步距角是1.5°，若步进电动机通电频率为2000Hz，则步进电动机的转速为 ( B )r／min。
PLC应用技术第6章典型例题分析
LD ANI
T1 T0 K10 T0 T1 K10 M30 T3 T2 K5 T2 T3 K5 M30 T5
第K66章 典型例题分析
K1 LD M5 OR M0 OR M1 OUT M100 LD M1 OR M2 OR M3 OUT M102 LD M3 OR M4
K5 LD T2 OUT T3
本章知识点： 典型例题分析。
6.1 机床工作台的PLC控制
用PLC对机床工作台进行控制，控制要求如下： 试设计一个双速电机驱动的工作台的PLC控制程序， 工艺过程如图6.1所示，要求能够实现单周期和连续自动 两种运行方式。
第6章 典型例题分析
图6.1 机床工作台示意图
第6章 典型例题分析
要求：画出I/O连接图，编制PLC程序，并调试直至 符合要求为止。
解：(1) 先画出PLC的I/O连接图，如图6.2所示。 (2) 状态转移图(流程图)如图6.3所示。 (3) 梯形图如图6.4所示。
第6章 典型例题分析
图6.2 以PLC控制机床工作台的I/O连接图
第6章 典型例题分析
图6.3 以PLC控制机床工作台的状态转移图
第6章 典型例题分析
图6.4 以PLC控制机床工作台的梯形图
第6章 典型例题分析
(4) 锅炉水位控制：锅炉工作启动后，当水位低于下 限时，进水阀门打开，排水阀门关闭。当水位超过上限 时，排水阀门打开，进水阀门关闭。
问题分析： 本题中火力控制与水位控制应当同时考虑，应用 MC/MCR主控电路块指令比较方便。 解：(1) 首先画出I/O连接图，如图6.19所示。
第6章 典型例题分析
移位寄存器中各位的内容可在移位脉冲的作用下依照 一定的方向移动，比如，我们在移位寄存器的第一位中存 放一个“1”，当移位脉冲信号到来时，这个“1”就移到了 第二位，下次就移到了第三位，这样一来，就可大大减少 编程的工作量。
步进电机(计算)
Vj —— 第j个移动部件的移动速度 m/min Mj —— 第j个移动部件的质量 kg
2)步进电机选择步骤
② 计算惯量
i. 图示的一级齿轮减速系统
nz1 nz2
nm nz2
n V= z2 . t
式中 V——工作台移动速度 m/min
t——丝杆导程 m
3．某数控机床的进给伺服系统中，已知齿轮分度圆直径d1=64mm，d2=80mm， 齿轮宽度B=20mm，丝杠直径d3=40mm，长度l=1500mm，工作台质量 m=150kg。在某一时刻，齿轮转速n1=500r/min，n2=400r/min，工作台移动速 度v=2m/min，试求此系统转换到电动机轴上的等效转动惯量。
0.005 360
i=
=
导程 θ
4 0.75
3 = 0.6 =
5
所以，减速器传动比为 3:5。
返回
2、如图示，一台五相十拍运行的步进电动机，通过一对减速齿轮，滚珠丝杠 副带动工作台移动。齿轮1的齿数选定为Z1=27，步进电动机转子转子齿数 Zr=48，并设定步进电动机每走一步，工作台移动5μm。当丝杠导程t=4mm， 时，试求齿轮2的齿数Z2。
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4.步进电机的选择
1)步进电机选择原则： ① 步矩角与机械系统相匹配，以得到系统所需的
= t/360 i
② 保证电机输出转矩，大于负载所需转矩
③ 能与机械系统的负载惯量相匹配 为使电机具有良好的起动性能及较快的响应速度
推荐 Jleq/Jm<=4 式中 Jleq为系统等效负载转动惯量
开环伺服系统
一、组成 伺服驱动单元、执行元件、传动机构
PLC实训程序--步进电机的PLC控制
步进电机的PLC控制一、实验目的1、掌握PLC控制的基本原理，掌握移位寄存器的使用。
2、掌握步进电机的工作原理，掌握环形分配器的使用方法。
3、掌握运用PLC驱动步进的方法。
二、实验器材1、PLC-2型可编程控制器实验台1台2、步进电机的PLC控制演示板1块3、PC机或手持编程器1台4、编程电缆1根5、自锁式连接导线若干图16.1三、实验原理与实验步骤1、步进电机的PLC控制演示板如图16.1所示。
2、实验原理本演示装置采用的四相步进电机，运用PLC设计一个步进电机的环形分配器的软件程序。
以此来实现步进电机的单步，连续运转。
四相步进电机的结构如下图所示。
演示板上四个LED发光管分别代表步进电机的四个相位。
3、设计要求：按照步进电机的工作方式，设四相线圈分别为A、B、C、D，公共端为E、F。
当电机正向转动时其工作时序如下：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA当电机反向转动时其工作时序如下：A←AB←B←BC←C←CD←D←DA要求慢速度为I S—格，快速度为0.1S—格。
4、实验步骤：（1）打开PLC-2型实验台电源，编程器与PLC连接。
（2）根据具体情况编制输入程序，并检查是否正确。
（3）实验台与PLC-DOME008连接，检查连线是否正确。
（4）按下启动按钮，观察运行结果。
四、设计程序清单1、I/O地址分配清单：输入地址：正向启动X0 反向启动X1停止X2 速度控制X3 输出地址： A Y0 B Y1C Y2 C Y3E\F COM2、程序（1）指令表0 LD X0001 OR S02 ANI X0013 ANI X0024 OUT S06 LD X0017 OR S18 ANI X0009 ANI X00210 OUT S112 LD X00313 CJ P0 16 LDI T33 26 OUT Y01527 LDI X00328 CJ P131 P032 LDI T3333 OUT T32 K136 LD T3237 OUT T33 K140 OUT S242 OUT Y01543 P144 LD S245 PLS M1051 ANI M552 ANI M653 ANI M754 AND S155 LDI M256 ANI M357 ANI M458 ANI M559 ANI M660 ANI M761 ANI M862 AND S063 ORB68 AND S069 SFTR M0 M1 K8 K178 MPP79 AND S180 SFTL M0 M2 K8 K189 LD M190 OR M291 OR M892 OUT Y00093 LD M294 OR M395 OR M496 OUT Y00117 OUT T32 K520 LD T3221 OUT T33 K5 24 OUT S2101 LD M6102 OR M7 47 LDI M148 ANI M249 ANI M350 ANI M4103 OR M864 OUT M065 LD M800266 OR M1067 MPS104 OUT Y00397 LD M498 OR M599 OR M6100 OUT Y002105 END梯形图接线图※FX系列的输出继电器的公共端：FX2N－32MR为COM0～COM4;FX2N－48MR为COM0～COM5; FX1N－60MR为COM0～COM7五、思考题1、如果是三相步进电机，工作方式为三相六拍，程序该如何编制？2、如果是E、F公共端不接，作为二相时机使用，程序又该如何处理？。
步进电机三相六拍工作原理
步进电机三相六拍工作原理步进电机是一种常见的电动机，其工作原理是利用电磁场的相互作用来实现转动。
它的名称中的“步进”意味着它可以按照一定的步长进行转动，因此也被称为“脉冲电机”。
步进电机由定子、转子和驱动电路组成。
定子上有绕组，是由若干个线圈组成的，每个线圈都与一对对称的引线连接。
转子上也有绕组，与定子上的绕组相连。
驱动电路用来控制电流的方向和大小，从而控制电机的转动。
步进电机的工作原理是通过改变定子绕组中的电流方向和大小来实现转动。
定子绕组上的电流方向和大小由驱动电路控制，驱动电路根据输入信号来决定电流的变化。
驱动电路会将输入信号转换为相应的电流控制信号，然后通过电流控制信号来控制定子绕组中的电流。
在工作过程中，驱动电路会对定子绕组施加相应的电流，使得定子绕组中产生的磁场与转子上的磁场相互作用。
根据磁场的相互作用原理，定子绕组中的磁场会引起转子上的磁场发生变化，从而引起转子的转动。
通过不断改变定子绕组中的电流，可以实现电机的连续转动。
步进电机的工作原理可以用三相六拍来描述。
所谓“三相”是指定子绕组中有三组线圈，每组线圈相互独立，互相之间相差120度；所谓“六拍”是指每个线圈分为两个阶段，每个阶段都会施加电流，共有六个阶段。
在每个阶段中，只有一个线圈中的电流方向与转子上的磁场方向相同，其他线圈中的电流方向与转子上的磁场方向相反。
根据三相六拍的工作原理，步进电机会按照固定的步长进行转动。
通过改变驱动电路中的输入信号，可以控制电机的转速和转动方向。
当输入信号以一定的频率连续变化时，电机会按照设定的步长进行连续转动。
通过合理调整输入信号的频率和幅值，可以实现电机的精确控制。
总结起来，步进电机三相六拍的工作原理是通过改变定子绕组中的电流方向和大小来实现转动。
通过驱动电路控制输入信号，可以控制电机的转速和转动方向。
步进电机的工作原理简单明了，具有精确控制和稳定性好的特点，因此被广泛应用于各种自动控制系统中。
三相步进电机的控制
三相步进电机的控制三相步进电机的控制要求为：1、能对三相步进电机的转速、启动停止进行控制；2、可实现三相步进电机的正反转控制；3、能对三相步进电机的步数进行控制。
一、系统配置1、FX2N-32MR型PLC一台。
2、110BF003型三相反应式步进电动机一台。
3、根据对三相步进电机控制的要求，I/O配置及其接线图如图1所示。
二、程序设计三相步进电机的转速分慢速、中速和快速三档，分别通过开关S1、S2和S3选择；正反转控制通过开关S4选择；步数控制分单步、10步和100步三档，分别通过按钮SB、S6和S7选择。
图11、转速控制有脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，在通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y0、Y1和Y2按照单双六拍的方式接通，其接通顺序为图2该过程对应于三相步进电机的通电顺序为图32、正反转控制通过正反转驱动环节（调换相序），改变Y0/Y1和Y2接通的顺序，以实现步进电机的正反转控制，即图4图53、步数控制通过脉冲计数器，控制六拍时序脉冲，以实现对步进电机步数的控制，三相步进电机控制的梯形图如图6所示。
三、调试运行程序将图6所示的梯形图换成程序写入plc的RAM，并调试运行程序。
图6 三相步进电机控制的梯形图续图61、转速控制选择慢速挡（接通S1），接通启动开关S0，脉冲控制器产生周期为1s的控制脉冲，使M0～M5的状态向右移位，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环形分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电机开始慢速步进运行。
2、正反转控制先接通正反转开关S4，在重复上述转速控制操作。
3．步数控制先选择慢速挡（接通S1），在选择10步（接通S6），接通启动开关S0，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器开始工作，计数器开始计数。
当走完预订步数时，计数器动作，其常闭点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电机停转。
《机电一体化》教学大纲
《机电一体化》教学大纲课程编号：学时：50学时（3学时/周）学分：3适用专业：高职教育类机电专业考核要求：1. 熟练掌握机电一体化的基本概念和基本要素以及各部分的作用，了解机电一体化的相关技术和发展趋势，并结合实例分析机电一体化技术在机电产品中的应用。
2. 掌握机电一体化中机械系统部件的选择与设计的方法和依据，认识现代常用的传动机构、导向与支承结构、机械执行机构。
3. 了解机电一体化中微型计算机控制系统及接口设计；掌握控制系统的一般设计思路；掌握微型计算机的基本构成；认识未来计算机的发展对机电一体化的影响；掌握微型计算机应用领域、选用要点及注意事项；掌握单片机控制系统的组成和单片机芯片的选择要点。
4. 了解机电一体化中传感器与微机的接口技术，认识传感器前级信号的放大与隔离的常用方法；掌握信号在传输过程中的意义和常用的信号的变换方法。
5. 掌握步进电机的工作原理、特点和主要特性以及选择方法；掌握直流伺服电机、交流伺服电机的种类、结构特点以及选择方法。
掌握开环系统和闭环系统的区别。
6. 掌握机电一体化产品的开发设计步骤。
一、课程目的和任务让学生通过掌握机电一体化的基本知识，拓宽学生的知识面。
本课程的任务是使机电工程专业的学生在机电一体化技术方面具有较广泛的知识，了解机电一体化系统（产品）涉及的相关技术，对典型机电一体化系统有一个比较全面的认识，使学生在今后的工作中具有综合应用多学科知识的能力。
二、理论教学内容第一章机电一体化的基本概念【教学目的】弄明白学习机电一体化的重要性，掌握机电设备的发展方向，弄懂机电一体化基本涵义及各部的作用与功能。
【教学重点和难点】重点：机电一体化概念及其本要素的名称、作用、要求。
难点：接口的理解，尤其是接口功能中转换功能的理解【教学内容】1、机电一体化的定义；2、机电一体化的相关技术；3、机电一体化技术的发展前景；4、机电一体化的应用实例。
【教学方法】以理论讲解为主，再举例加以说明。
三相六拍
模块3、用DECO 指令编程控制三相步进电机，要求如下：
（1） 按照三相六拍方式运行；
（2） 能实现步进电机的正转、反转，可以在触摸屏上输入任意每步的时间间隔，每步的时
间间隔范围是（20ms~2s ）；
（3） 触摸屏上控制正转、反转、停止； （4） 触摸屏上能显示步数；
（5） 能设定电机正转或反转的总步数，当步数超过设定值时要停机； （6） 触摸屏上能显示步进电机每一相的状态；
（7） 在试卷上画出PLC 的I/O 分配图、PLC 的梯形图和触摸屏的画面。
I/O 分配图：
B 相 A 相
C 相
梯形图：
MOV数据传送指令
DECO解码指令
INC加1指令
DEC减1指令
ZRST区间复位指令LD> 触点比较指令
触摸屏界面：
D1的值
D11的值
D12的值
位指示灯。
DECO指令在步进电机控制中的应用
穗转 控衬
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进 电机控 制Ｉ ／ ｏ 分配 图及 ｉ ／ ｏ 接线 图如图４
所示 。
（ ２ ）用Ｄ Ｅ Ｃ ０ 编程 实现步进 电机三相 六控制程序结构如 图５ 所示 。 由三部分组成：初始化产生Ｍ ０ ￣Ｍ ５ 脉 冲序列部分、输出控制部分 、调速部分。
墨
齿 对齐 位置 ，并 处于平 衡 状态 。对 三相 ０ １ １ 时 ，即为十 进制 数３ ，则通 过解码 目
步进 电动机 来说 ， 当某 一 相 的磁极 处关 标 操作数Ｍ ０ ￣Ｍ ７ 中的Ｍ ３ ＝ １ 其他 为０ ，同理
于 最大 磁导 位置 时 ，另外 两相 必须 处关 当Ｄ ０ 低３ 位 的 内容为 １ １ １ 时 ，则 通过解 码 于非 最大磁 导位 置，如 图１ 所示 ，即定子 小齿与转子小齿不对齐 的位置 。
把 定 子 小 齿 与 转 子 小 齿 对 齐 的 状 态
图４三相步进电机控制 Ｉ ／ ０ 图
｛ 瓒蠹 化窘 盼
目标操 作数Ｍ Ｏ ￣ｂ ｔ ７ 只有Ｍ ７ ＝ １ 其他为Ｏ 。 ２ ． 三相六拍步 电机控制方 式
ｌ
输 出控翻￣ ｇ ／ Ａ＊ －，
三相 六 拍步 电机 控制 方式 即三 相 六
用Ｄ Ｅ Ｃ ０ 指令编 程控 制三 相六 拍 、四 构 来编 程。
步进 电动机 的结构 中必 须保 证有 错齿 的 控制Ａ 、Ｂ 相 ，Ｍ ５ ＝ １ 时控ｆ ｉ ￣ Ｊ ｌ Ａ 、ｃ 相 。反转 相 四拍 、四相八拍都可 根据 图５ 的编程 结
6.6步进电机
五、 步进电动机主要性能指标
（2） 运行矩频特性
步进电动机作单步运行时的 最大允许负载转矩为Tq， 但当控 制脉冲频率逐步增加， 电机转速 逐步升高时， 步进电动机所能带 动的最大负载转矩值将逐步下降。 这就是说， 电机连续转动时所产 生的最大输出转矩T是随着脉冲 频率f的升高而减少的。 T与f两 者间的关系曲线称为步进电动机 运行矩频特性
下面以反应式步进电机为例说明步进电机的 结构和工作原理。
三相反应式步进电动机的原理结构图如下：
转子
IA A
IC C
定子 IB B
定子内圆周 均匀分布着六个 磁极，磁极上有 励磁绕组，每两 个相对的绕组组 成一相。转子有 四个齿。
1.三相单三拍
A B' 1 C'
42
C 3B A'
A相绕组通电，B、C相 不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻最 小的位置，故在这种情况下， 转子必然转到左图所示位置： 1、3齿与A、A′极对齐。
（4） 步进电机启动过程和启动频率(突跳频率)
当起动时脉冲频率过高，转子运动的速度跟不上 定子磁场的变化
在一定负载转矩下， 电机正常启动时(不丢步、 不失 步)所能加的最高控制频率称为启动频率或突跳频率， 这也是衡量步进电机快速性能的重要技术指标。 启动 频率要比连续运行频率低得多。
为了能正常启动， 启动频率不能过高， 但当电机一旦 启动以后， 如果再逐渐升高脉冲频率， 由于这时转子角
负载转矩的大小控制绕组时间常数转动惯量随着脉冲频率上升转矩进一步下降当脉冲频率达到一定数值后电动机带不动任何负载轻则失步重则停转4步进电机启动过程和启动频率突跳频率当起动时脉冲频率过高转子运动的速度跟不上定子磁场的变化在一定负载转矩下电机正常启动时不丢步不失步所能加的最高控制频率称为启动频率或突跳频率这也是衡量步进电机快速性能的重要技术指标
步进电动机(第7章)
控制电机
n = ( f θ b )/6o r/min 频率f一定时，步距角越小，转速越低，电 机输出功率越小。从提高加工精度上要求，应 选用小的步距角，但从提高输出功率上要求， 步距角又不能取的太小。一般步距角应根据系 统中应用的具体情况进行选取。
一台四相步进电动机，设其为四相八拍运行。 转子上共有50个齿，计算n=1000r/min时，控 制脉冲频率？ nNZ R 1000 8 50 60 f f 666 .67 Hz n 60 60 NZ R
控制电机
当 A、B 两相同时通电时，合成距角特性应为 两者相加，即
TAB= TA + TB = -Tjmax sin （θe –60 o ）
T TA TAB TB
转矩向量图
TA
TAB 0
60o
120o
θe TB
单相、两相通电时的距角特性
控制电机
三相步进电动机两相同时通电时，最大静态转矩 值与单相通电时的最大静态转矩值相等。也就是 说，对三相步进电动机来说，不能依靠增加通电 相数来提高转矩，这是三相步进电动机一个很大 的缺点。
Tem
f
k 脉冲分配
器和功放
控制电机
步进电动机的驱动需要结合数字技术、 计算机技术和电力电子技术。 步进电动机被广泛应用于需要精确定 位和定速的控制系统中，例如数控机床、 绘图仪器、机器人等领域。
步进电动机
脉冲分配 器和功放
控制电机
XY操作台
控制电机
恒流泵
控制电机
打印机
控制电机
激光排版
控制电机
控制电机
三相步进电动机具有三相单三拍、三相六 拍和三相双三拍运行状态。 “三相”：步进电动机具有三相定子绕组。 “单、双”：每次只有一相（单）或两相（双）绕
机电一体化系统设计基础答案
齿轮传动系统的总重量为（_____）。（1分） 根据重量最小原则，令，可求得（_____）。（1分）
子问题 1：A; 子问题 2：B
转换到电机轴的齿轮惯量为（_____）。（1分） 根据转动惯量最小原则，令，可求得（_____）。（1分）
子问题 1：B; 子问题 2：A
解：当两端转向相同时，两端外齿轮相对于内齿轮转过1
脉宽调制
三、计算题
题目 解：（1）刀架的位移量为（ ）mm。
（2）丝杠的转速转速为（ ）转/秒。 求该仪器的灵敏度为（ ）V/mm。
答案 （1）307200÷1024×2=600 （2）300÷10=30 _S_=_dy_/_dx_=(2.5-3.5)/(5.0-4.5)=-2
（1） （2）传感器的每转脉冲数脉
2
幅频特性和相频特性是模拟式传感器的（ ）。
动态特性指标
光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线， 刻线数为100线/mm，此光栅传感器测量分辨率是（ ）mm。
0.01
光栅传感器的光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，
刻线数为100线/mm，经四倍细分后，此光栅传感器测量分辨率是（ ）
一、判断题
题目（题目是随机，用查找功能（Ctrl+F）搜索对应的答案
答案
采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。（ ） 错
采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了 错
产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。（ ）
传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。（ ）
错
滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（ ）